JP2009113424A - 液体吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】デジタルデータを、前記デジタルデータに対応した電位信号に変換する変換回路と、前記電位信号が印加されると変形し、ノズルから液体を吐出させる駆動素子と、前記デジタルデータを前記変換回路へ出力するコントローラと、を有し、前記電位信号が正弦波であって傾きが連続的に変化する液体吐出装置。
【選択図】図9
Description
本明細書の記載、及び添付図面の記載により、少なくとも次のことが明らかとなる。
このような液体吐出装置によれば、電位が滑らかに変異するため、駆動素子周辺部(圧力室)に意図しない振動が発生してしまうことを抑制できる。
このような液体吐出装置によれば、固有振動周期Tcによる圧力室の振動(膨張・収縮)と駆動信号による圧力室の振動を同期させることができるため、圧力室を効率的に振動することができる。
このような液体吐出装置によれば、固有振動周期Tcによる圧力室の振動と駆動信号による圧力室の振動が同期し、圧力室をより大きく膨張・収縮させることができるため、吐出効率が上がる。その結果、多量の液体を吐出することができる。逆に言えば、少ない電位にて液体を吐出することができる。
このような液体吐出装置によれば、正弦波で表されると共に傾きが連続的に変化する電位信号が得られる。各パラメータを変化させることで、所望の形状の電位信号が得られる。
このような液体吐出装置によれば、正弦波で表されると共に傾きが連続的に変化する電位信号が得られる。各パラメータを変化させることで、所望の形状の電位信号が得られる。
このような液体吐出装置によれば、目的に適した電位信号を駆動素子に印加することができる。
このような液体吐出装置によれば、比較的に短い期間で圧力室を変形させることで、より強い力にて液体を吐出することができる。また、比較的に長い期間で圧力室を膨張させることで、圧力室による振動のばらつきに因らずに全ての圧力室に対して制振の効果が得られる。
このような液体吐出装置によれば、より大きな力で液体を吐出することができ、多量に液体を吐出することができる。
このような液体吐出装置によれば、膨張の際に圧力室に空気が侵入してしまうことを防止でき、比較的に短い期間で圧力室を変形させることで、より強い力にて液体を吐出することがでる。また、比較的に長い期間で圧力室を膨張させることで、圧力室による振動のばらつきに因らずに全ての圧力室に対して制振の効果が得られる。
このような液体吐出装置によれば、より大きな力で圧力室を膨張、収縮することができるため、多量に液体を吐出することができる。
このような液体吐出装置によれば、正弦波で表され傾きが連続的に変化する電位信号を得ることができる。
このような液体吐出装置によれば、切り替わる地点にて誤差が発生したとしても、電位差を最小に抑えることができる。
このような液体吐出装置によれば、既定量の液体を吐出することができる。
このような液体吐出装置によれば、所望の形状の電位信号を得ることができる。
このような液体吐出装置によれば、電位信号は、第1の正弦波よりも最高電位を大きくし、また、最低電位を小さくすることができる。そのため、より大きな電位差によって液体を吐出することができ、多量の液体を吐出することができる。
以下、液体吐出装置をインクジェットプリンタとし、また、インクジェットプリンタの中のシリアル式プリンタ(プリンタ1)を例に挙げて実施形態を説明する。
図3Aは駆動信号生成回路70を示す図であり、図3Bは電位波形信号COM’の生成を説明する図である。図4は、駆動信号生成回路70とヘッド駆動回路42を示す図であり、ヘッド駆動回路42により、各ノズルに対応したピエゾ素子が動作することを示している。図5は、各信号のタイミングチャートである。
図3Aに示すように、駆動信号生成回路70は、波形生成回路71と電流増幅回路72とを有し、あるノズル群に対して共通に使用される駆動信号COMを生成する。
ヘッド駆動回路42は、180個の第1シフトレジスタ421と、180個の第2シフトレジスタ422と、ラッチ回路群423と、データセレクタ424と、180個のスイッチSWとを有する。このヘッド駆動回路42は180個のノズルから成るノズル群に対応し、図中のかっこ内の数字は、部材(又は信号)が対応するノズルの番号を示している。
また、データセレクタ424は、ラッチ前(初期状態となる前)に、各ノズル#iに対応する2ビットの印刷信号PRT(i)をラッチ回路群423から選択し、各印刷信号PRT(i)に応じたスイッチ制御信号prt(i)を各スイッチSW(i)に出力する。
例えば、スイッチ制御信号prt(i)のレベルが「1」のとき、スイッチSW(i)はオンとなり、駆動信号COMが有する、繰り返し周期T内の駆動波形W(正弦波状の信号)を、そのまま通過させ、駆動波形Wがピエゾ素子PZT(i)に印加される。そして、駆動波形Wがピエゾ素子PZT(i)に印加されると、その駆動波形Wに応じてピエゾ素子PZT(i)が変形し、インク室の一部を区画する弾性膜(側壁)が変形し、インク室内の既定量のインクがノズル#iから吐出される。一方、スイッチ制御信号prt(i)のレベルが「0」のとき、スイッチSW(i)はオフとなり、駆動信号COMが有する駆動波形Wを遮断する。
まず、圧力室周辺の構成について詳しく説明する。
図6Aは、ヘッド41本体の断面図であり、図6Bは、ヘッド本体41の主要部を拡大して示す断面図である。このヘッド41本体は、ケース411と、流路ユニット412と、ピエゾ素子ユニット413とを有する。ケース411は、流路ユニット412を収容するための収容室411a内部に形成されたブロック状の部材である。流路ユニット412は、流路形成板412aと、流路形成板412aの一方の表面に接合された弾性板412bと、流路形成板412aの他方の面に接合されたノズルプレート412cとを有する。流路形成板412aには、圧力室412dとなる溝部、ノズル連通口412eとなる貫通口、共通インク室412fとなる貫通口、インク供給路412gとなる溝部が形成されている。弾性板412bは、支持枠412hと、ピエゾ素子PZTの先端が接合されるアイランド部412jとを有する。そして、アイランド部412jの周囲には、弾性膜412iによる弾性領域が形成されている。
Ma:ピエゾ素子におけるイナータンス(単位長さあたりの媒質の質量、kg/m4)
Mn:ノズル開口部におけるイナータンス
Ms:インク供給部におけるイナータンス
Rn:ノズル開口部におけるレジスタンス(媒質の内部損失、N・s/m5)
Rs:インク供給部におけるレジスタンス
Cc:圧力室におけるコンプライアンス(単位圧力あたりの容積変化、m5/N)
Ca:ピエゾ素子におけるコンプライアンス
Cn:ノズル開口部におけるコンプライアンス
P:ピエゾ素子に印加する駆動波形(電位信号)を等価圧力に変換したもの
同様に、圧力室内の固有振動周期Tcは、次式によって表される。
同様に、メニスカスの固有振動周期Tmは、次式によって表される。
===駆動信号COMについて===
〈比較例の駆動信号〉
図8は、比較例の駆動信号COM’を示す図である。まず、本実施形態で用いる駆動信号の比較例として、台形波の駆動信号COM’とインク吐出の関係について説明する。
そして、駆動信号生成回路70は、時刻T2まで最高電位Vhを維持した後、時刻T2から時刻T3までの間に、最高電位Vhから最低電位Vlまで電位を下降させ、ピエゾ素子を伸長する。そうすると、圧力室の容積は収縮し、圧力室内の圧力は一気に加圧され、ノズルNzからインクが吐出される。
最後に、駆動信号生成回路70は、時刻T4まで最低電位Vlを維持し、時刻T4から時刻T5までの間に、最低電位Vlから中間電位Vcまで電位を上昇させる。その結果、収縮した圧力室の容積が膨張し、圧力室内の容積は基準容積に戻される。
言い換えると、台形波の駆動信号COM’には高周波数成分が含まれてしまい、この高周波数成分の影響により、ピエゾ素子や圧力室には意図しない振動が発生してしまう。
図9Aは、実施例1の第1駆動信号COM1を示す図である。横軸は時間変化、縦軸は時刻tにおける駆動電位V(t)[V]を示す。本実施形態では、台形波の駆動信号COM’ではなく、図示するように、正弦波で表され、傾きが連続的に変化する駆動信号COMを用いる。時刻t0以前の駆動電位を中間電位Vcとし、このときの圧力室の容積を基準容積とする。時刻t0から時刻t1において、ピエゾ素子に印加される電位が上昇することにより(中間電位Vc→最高電位Vh)、ピエゾ素子が収縮し、圧力室は基準容積よりも膨張する(圧力室内の圧力が減圧する)。そして、時刻t1から時刻t2において、ピエゾ素子に印加される電位が下降することにより(最高電位Vh→最低電位Vl)、ピエゾ素子が伸長し、圧力室は収縮し(圧力室内の圧力が加圧され)、ノズルからインク滴が吐出される。最後に、時刻t2から時刻t3において、ピエゾ素子に印加される電位が上昇することにより(最低電位Vl→中間電位Vc)、収縮した圧力室が膨張し、圧力室内の容積は基準容積に戻される。
言い換えると、このような正弦波の駆動信号COMは、台形波の駆動信号COM’のように高周波数成分が含まれないため、ピエゾ素子や圧力室に意図しない振動が発生してしまうことを抑制できる。
V(t)=A・exp(−γ・t)・sin(ωt+φ)+B
A[V]は振幅、ω[rad/S]は角振動数であり、φ[rad]は位相の調整量(初期位相)を示し、B[V]は最低電位Vlが負の値とならないように中間電位Vcを高めた電位量(振幅中心調整値)を示す。なお、実施例1では、exp(−γ・t)のγ値をゼロ(γ=0)とするため、第1駆動信号COM1を構成する第1波形W1と第2波形W2は、以下の式のように表すこともできる。
V(t)=A・sin(ωt+φ)+B
図11Aは、実施例2の第2駆動信号COM2を示す図であり、図11Bは、第1分解波形Wa1と第2分解波形Wa2の波形式のパラメータをまとめた表である。図12Aは第1分解波形Wa1を示す図であり、図12Bは第2分解波形Wa2を示す図であり、図12Cは第2駆動信号COM2と第1分解波形Wa1(第1の正弦波)と第2分解波形Wa2(第2の正弦波)を同一グラフ上に示した図である。実施例2の第2駆動信号COM2は、異なる波形式(式に相当)「V(t)=A・sin(ωt+φ)+B」にて表される2つの分解波形Wa1,Wa2を加算した波形(以下、合成波と呼ぶ)である。この合成波である第2駆動信号COM2が正弦波で表される電位信号であり、傾きが連続的に変化する。
図13Aは、実施例3の駆動信号COM3を示す図であり、図13Bは、第1波形W1から第3波形W3の波形式のパラメータをまとめた表である。第3駆動信号COM3は、正弦波で表される電位信号であり、傾きが連続的に変化する。この実施例3では、圧力室を膨張する工程と、圧力室を収縮してインクを吐出する工程と、制振する工程において、駆動波形の種類を異ならせ、各工程の目的に応じた駆動波形を使用する。そのため、第3駆動信号COM3は、膨張用の第1波形W1(第1の正弦波)と、収縮用の第2波形W2(第2の正弦波)と、制振用の第3波形W3(第3の正弦波)から構成される。第1波形W1から第3波形W3は波形式「V(t)=A・exp(−γ・t)・sin(ωt+φ)+B」にて表される。
そして、収縮工程(時刻t1〜時刻t2)では、周期の短い第2波形W2を使用する。これにより、膨張している圧力室を一気に収縮するができ、より強い力でインクを吐出することができる。その結果、多量のインクが吐出される。また、第2波形W2の周期を圧力室内の固有振動周期Tcと等しくすることで、吐出効率を上げている。
最後の制振工程(時刻t2から時刻t3)では、一番周期の長い第3波形W3を使用する。そうすることで、インク吐出部によりTc振動にバラツキがあったとしても、全てのインク吐出部に対して制振の効果が得られる。
なお、第1波形W1から第3波形の各周期は、圧力室内の固有振動周期Tc以上である。
図14Aは、実施例4の第4駆動信号COM4を示す図であり、図14Bは、波形式のパラメータをまとめた表である。第4駆動信号COM4の吐出用の第1波形W1では、波形式「V(t)=A・exp(−γ・t)・sin(ωt+φ)+B」の減衰項exp(−γ・t)を用いる。そうすることで、第4駆動信号COM4は、第1駆動信号COM1(図9)に比べて、時刻t0からの電位上昇の立ち上がりが緩やかになる。この減衰項を用いた第1波形W1を有する第4駆動信号COM4は、正弦波で表される電位信号であり、傾きが連続的に変化する。
このように電位上昇の立ち上がりを緩やかにすることで、インク吐出部(ピエゾ素子・圧力室)は無理なく変形を開始することができる。また、圧力室をゆっくり膨張することで、ノズル面から空気が入り込んでしまうことも防止できる。
図15は、減衰項exp(−γ・t)と、減衰項により補正する前の第1波形W1’のグラフを示す図である。図から分かるように、補正後の第1波形W1の時刻t0からの電位立ち上がり部分は、補正前の第1波形W1’において中心電位よりも電位が低い波形部分、即ち、最低電位から電位が上昇する波形部分に相当する。しかし、補正前の第1波形W1’から第2波形W2に切り替えようとしても、切り替え地点(時刻t2)における電位差が大きい。そのため、第1波形W’を補正せずに使用すると、圧力室が一気に収縮され、意図しない振動が発生してしまう。
また、時刻t1では、減衰項exp(−γ・t)により、補正後の第1波形W1は補正前の第1波形W’よりも、最高電位Vhを高めることができ、圧力室はより大きく膨張することができる。
上記の各実施形態は、主としてインクジェットプリンタを有する印刷システムについて記載されているが、正弦波の駆動信号等の開示が含まれている。また、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。
前述の実施形態では、1回の液滴吐出期間内に周期の異なる複数種類の駆動波形を有する駆動信号を示しているがこれに限らない。ノズルからの1回の液滴吐出期間中に傾きが連続的に変化する1つの正弦波(駆動波形)にて表される駆動信号であっても、圧力室や駆動素子の意図しない振動を抑えることができる。この1つの正弦波の周期が固有振動周期Tcであれば、液体滴の吐出効率を上げることができる。
前述の実施形態では、駆動電位を上昇させた時に圧力室が膨張し、駆動電位を下降させた時に圧力室が収縮するヘッドであり、駆動電位を上昇させた時に圧力室が収縮し、駆動電位を下降させた時に圧力室が膨張するヘッドの場合は、図示している駆動信号を上下反転させた駆動信号を用いればよい。
前述の実施形態では、液体吐出方法を実施する液体吐出装置(一部)としてインクジェットプリンタを例示していたが、これに限らない。液体吐出装置であれば、プリンタ(印刷装置)ではなく、様々な工業用装置に適用可能である。例えば、布地に模様をつけるための捺染装置、カラーフィルター製造装置や有機ELディスプレイ等のディスプレイ製造装置、チップへDNAを溶かした溶液を塗布してDNAチップを製造するDNAチップ製造装置、回路基板製造装置等であっても、本件発明を適用することができる。
また、インクジェットプリンタとして、ヘッドが、搬送方向と交差する方向に移動するシリアル式プリンタを例に挙げているが、これに限らない。例えば、紙幅方向にノズルが並び、ライン状に並んだノズルの下を紙が搬送されることにより印刷が完成するラインヘッドプリンタでもよい。
10 コントローラ、11 インターフェース部、12 CPU、13 メモリ、
14 ユニット制御回路、
20 搬送ユニット、21 給紙ローラ、22 搬送モータ、23 搬送ローラ、
24 プラテン、25 排紙ローラ、
30 キャリッジユニット、31 キャリッジ、32 キャリッジモータ、
40 ヘッドユニット、41 ヘッド、411 ケース、411a 収容室、
412 流路ユニット、412a 流路形成板、412b 弾性板、
412c ノズルプレート、412d 圧力室、412e ノズル連通口、
412f 共通インク室、412g インク供給路、412h 支持枠、
412j アイランド部、412i 弾性膜、42 ヘッド駆動回路、
42 ヘッド駆動回路、421 第1シフトレジスタ、422 第2シフトレジスタ、
423 ラッチ回路群、424 データセレクタ、413 ピエゾ素子ユニット、
413a ピエゾ素子群、413b 接着用基板、413c 素子用配線基板、
50 検出器群、51 紙検出センサ、60 コンピュータ、
70 駆動信号生成回路、71 波形生成回路、72 電流増幅回路
Q1 上昇用トランジスタ、Q2 下降用トランジスタ
Claims (15)
- デジタルデータを、前記デジタルデータに対応した電位信号に変換する変換回路と、
前記電位信号が印加されると変形し、ノズルから液体を吐出させる駆動素子と、
前記デジタルデータを前記変換回路へ出力するコントローラと、
を有し、
前記電位信号が正弦波であって傾きが連続的に変化する、
液体吐出装置。 - 請求項1に記載の液体吐出装置であって、
前記ノズルに連通し、前記駆動素子の変形によって膨張、収縮される圧力室を有し、
前記電位信号は少なくとも1つの前記正弦波で表され、
少なくとも1つの前記正弦波の周期は、前記圧力室内の固有振動周期Tcと等しい、
液体吐出装置。 - 請求項2に記載の液体吐出装置であって、
前記ノズルから液体を吐出させるときに前記駆動素子に印加される前記電位信号の前記正弦波の周期は、前記圧力室内の固有振動周期Tcと等しい液体吐出装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の液体吐出装置であって、
前記電位信号の振幅をAとし、前記電位信号の角振動数をωとし、前記電位信号の初期位相をφとし、前記電位信号の振動中心調整値をBとしたとき、前記電位信号が時刻tにおいて示す電位である駆動電位V(t)を表す式が、
V(t)=A×sin(ωt+φ)+B
となる液体吐出装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の液体吐出装置であって、
前記電位信号の振幅をAとし、前記電位信号の減衰項をexp(−γt)とし、前記電位信号の角振動数をωとし、前記電位信号の初期位相をφとし、前記電位信号の振動中心調整値をBとしたとき、前記電位信号が時刻tにおいて示す電位である駆動電位V(t)を表す式が、
V(t)=A×exp(−γt)×sin(ωt+φ)+B
となる液体吐出装置。 - 請求項4または請求項5に記載の液体吐出装置であって、
前記ノズルから1つの液体滴が吐出される所定期間に、前記駆動素子に印加される前記電位信号は、周期の異なる複数種類の正弦波からなる液体吐出装置。 - 請求項6に記載の液体吐出装置であって、
前記電位信号は、第1の正弦波と、前記第1の正弦波よりも周期が長い第2の正弦波と、を有し、
前記第1の正弦波は、前記駆動素子を変形させ、前記変形により前記ノズルに連通した圧力室が膨張、収縮することにより前記ノズルから液体を吐出するための波形であり、
前記第2の正弦波は、収縮した前記圧力室を膨張させ、前記圧力室内の振動を制振するための波形である、
液体吐出装置。 - 請求項7に記載の液体吐出装置であって、
前記第1の正弦波の振幅は、前記第2の正弦波の振幅よりも大きい液体吐出装置。 - 請求項6に記載の液体吐出装置であって、
前記電位信号は、第1の正弦波と、前記第1の正弦波よりも周期が短い第2の正弦波と、前記第1の正弦波よりも周期が長い第3の正弦波と、を有し、
前記第1の正弦波は、前記駆動素子を変形させ、前記変形により前記ノズルに連通した圧力室を膨張する波形であり、
前記第2の正弦波は、前記駆動素子を変形させ、前記変形により前記圧力室を収縮することにより前記ノズルから液体を吐出するための波形であり、
前記第3の正弦波は、収縮した前記圧力室を膨張させ、前記圧力室内の振動を制振するための波形である、
液体吐出装置。 - 請求項9に記載の液体吐出装置であって、
前記第1の正弦波の振幅は、前記第3の正弦波の振幅よりも大きく、
前記第2の正弦波の振幅は、前記第3の正弦波の振幅よりも大きい、
液体吐出装置。 - 請求項6から請求項10のいずれかに記載の液体吐出装置であって、
ある前記正弦波から周期の異なる別の前記正弦波に切り替わる地点では、ある前記正弦波が示す電位と別の前記正弦波が示す電位は等しく、
ある前記正弦波を表す前記式の傾きと、別の前記正弦波を表す前記式の傾きとが等しい、
液体吐出装置。 - 請求項11に記載の液体吐出装置であって、
前記切り替わる地点では、
ある前記正弦波を表す前記式の傾きと、別の前記正弦波を表す前記式の傾きとが、ゼロである液体吐出装置。 - 請求項11または請求項12に記載の液体吐出装置であって、
前記切り替わる地点は、前記ノズルから液体を吐出させる期間に存在しない液体吐出装置。 - 請求項6に記載の液体吐出装置であって、
前記電位信号は、前記式の異なる2つの前記正弦波を加算した波形である液体吐出装置。 - 請求項14に記載の液体吐出装置であって、
前記電位信号は、第1の正弦波と、前記第1の正弦波よりも振幅が小さい第2の正弦波と、を有し、
前記第2の正弦波は、前記ノズルに連通した圧力室を収縮する期間から前記圧力室が膨張する期間にて、電位値がマイナスとなる液体吐出装置。
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